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1、第十三章第十三章基因表达调控基因表达调控Regulation of Gene Expression主要内容主要内容 基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念 基因表达调控的基本原理基因表达调控的基本原理 原核基因表达调节原核基因表达调节 真核基因表达调节真核基因表达调节第一节第一节基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念Basic Conceptions of Gene Expression Regulation一、基因表达是指基因转录及翻译的过程一、基因表达是指基因转录及翻译的过程 基因组基因组(genome)来自一个生物体的一整套遗传物质。来自一个生物体的一整套遗传物质。基因基因(
2、gene)基因是负载特定遗传信息的基因是负载特定遗传信息的DNA片段，片段，可以编码单个具有生物功能的产物，包括可以编码单个具有生物功能的产物，包括RNA和多肽链，其结构包括由和多肽链，其结构包括由DNA编码序编码序列、非编码调节序列和内含子组成的列、非编码调节序列和内含子组成的DNA区区域。域。基因表达是受调控的。基因表达是受调控的。基因表达基因表达(gene expression)是基因转录及翻译的过程，即：生成具有是基因转录及翻译的过程，即：生成具有生物学功能产物的过程。生物学功能产物的过程。二、基因表达具有时间特异性和空间特异性二、基因表达具有时间特异性和空间特异性（一）时间特异性（一
3、）时间特异性 按功能需要，某一特定基因的表达严格按特按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间时间特异性特异性(temporal specificity)。多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段阶段特异性特异性(stage specificity)。（二）空间特异性（二）空间特异性 基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称所以空间特异性又称细胞或组织特异性细胞或
4、组织特异性(cell or tissue specificity)。在个体生长全过程，某种基因产物在个体按在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性空间特异性(spatial specificity)。三、基因表达的方式及调节存在很大差异三、基因表达的方式及调节存在很大差异按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：基本（或组成性）表达基本（或组成性）表达 诱导或阻遏表达诱导或阻遏表达（一）基本（或组成性）表达（一）基本（或组成性）表达 某些基因在一个个体的几乎所有细胞某些基因在一
5、个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为中持续表达，通常被称为管家基因管家基因(housekeeping gene)。无论表达水平高低，管家基因较少受环无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基或变化很小。区别于其他基因，这类基因 表 达 被 视 为因 表 达 被 视 为 组 成 性 基 因 表 达组 成 性 基 因 表 达(constitutive gene expression)。（二）有些基因的表达受到环境变化的（二）有些基因
6、的表达受到环境变化的诱导和阻遏诱导和阻遏 在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基可诱导基因因(inducible gene)。可诱导基因在特定环境。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为中表达增强的过程，称为诱导诱导(induction)。如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是因是可阻遏基因可阻遏基因(repressible gene)。可阻遏。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为基因表达产物水平降低的过程称为阻遏阻遏(repression
7、)。在一定机制控制下，功能上相关的一组基在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为致、共同表达，即为协调表达协调表达(coordinate expression)，这种调节称为，这种调节称为协调调节协调调节(coordinate regulation)。四、基因表达调控为生物体生长、四、基因表达调控为生物体生长、发育所必需发育所必需（一）以适应环境、维持生长和增殖（一）以适应环境、维持生长和增殖生物体所处的内、外环境是在不断变化生物体所处的内、外环境是在不断变化的。通过一定的程序调控基因的表达，可使的。通过一定
8、的程序调控基因的表达，可使生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好地适应环境，维持其生长和增殖。地适应环境，维持其生长和增殖。（二）以维持细胞分化与个体发育（二）以维持细胞分化与个体发育在多细胞个体生长、发育的不同阶段，在多细胞个体生长、发育的不同阶段，或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布、种类和含量存在很大差异，这质分子分布、种类和含量存在很大差异，这些差异是调节细胞表型的关键。些差异是调节细胞表型的关键。第二节第二节基因表达调控的基本原理基因表达调控的基本原理Basic Principles of Gen
9、e Expression Regulation一、基因表达调控呈现多层次和复杂性一、基因表达调控呈现多层次和复杂性基因表达的多级调控基因表达的多级调控基因激活基因激活拷贝数拷贝数重排重排甲基化程度甲基化程度转录起始转录起始 转录后加工转录后加工mRNA降解降解蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰蛋白质降解等蛋白质降解等转录起始转录起始Seven processes that affect the steady-state concentrationof a protein.二、基因转录激活受到转录调节蛋白二、基因转录激活受到转录调节蛋白与启动子相互作用的调节与启动子相互作用的调节基
10、因表达的调节与基因表达的调节与基因基因的结构、性质，的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外生物个体或细胞所处的内、外环境环境，以及细，以及细胞内所存在的胞内所存在的转录调节蛋白转录调节蛋白有关。有关。（一）特异（一）特异DNA序列决定基因的转录活性序列决定基因的转录活性（二）转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性（二）转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性原核生物原核生物 操纵子操纵子(operon)机制机制 蛋白质因子蛋白质因子特异特异DNA序列序列编码序列编码序列 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列 其他调节序列其他调节序列(promoter)(operator)是是RNA聚合酶结合并启动转录聚
11、合酶结合并启动转录的特异的特异DNA序列。序列。1、启动序列启动序列RNA转录起始转录起始-35 区区-10 区区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BADTTGACATATAAT共有序列共有序列图图13-1 五种五种E.coli启动序列的共有序列启动序列的共有序列 共有序列共有序列(consensus sequence)决定启动决定启动序列的转录活性大小。序列的转录活性大小。某些特异因子（蛋白质）某些特异因
12、子（蛋白质）决定决定RNA聚合聚合酶酶对一个或一套启动序列的特异性识别和对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。结合能力。2、操纵序列操纵序列 阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)的结合位点的结合位点当操纵序列结合有当操纵序列结合有阻遏蛋白阻遏蛋白时，会阻碍时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚聚合酶不能沿合酶不能沿DNA向前移动向前移动，阻碍转录。，阻碍转录。启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列pol阻遏蛋白阻遏蛋白3、其他调节序列、调节蛋白其他调节序列、调节蛋白例如：例如：激活蛋白激活蛋白(activator)可结合启动序列可结合
13、启动序列上游上游邻近的邻近的DNA序列，促进序列，促进RNA聚合酶与启动聚合酶与启动序列的结合，增强序列的结合，增强RNA聚合酶活性。聚合酶活性。有些基因在没有激活蛋白存在时，有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚聚合酶很少或完全不能结合启动序列。合酶很少或完全不能结合启动序列。真核生物真核生物1、顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)可影响自身基因表达活性的可影响自身基因表达活性的DNA序列序列RNA聚合酶聚合酶BADNA编码序列编码序列转录起始点转录起始点mRNARNA聚合酶聚合酶BADNA转录起始点转录起始点mRNA图图13-2 顺式作用元件顺式作用元件 不同真
14、核生物的顺式作用元件中也会发不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列，如现一些共有序列，如TATA盒盒、CAAT盒盒、GC盒盒等，这些共有序列是等，这些共有序列是RNA聚合酶或聚合酶或转录因子的结合位点。转录因子的结合位点。2、真核基因的调节蛋白真核基因的调节蛋白 还有蛋白质因子可特异识别、结合自身还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列基因的调节序列，调节自身基因的表达，调节自身基因的表达，称称顺式作用顺式作用。由某一基因表达产生的蛋白质因子，通由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。这种调节作
15、用称互作用，调节其表达。这种调节作用称为为反式作用反式作用。反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor)cDNAaDNA反式调节反式调节C顺式调节顺式调节 mRNA C蛋白质蛋白质CbA mRNA蛋白质蛋白质AA图图13-3 反式与顺式作用蛋白反式与顺式作用蛋白 指的是反式作用因子与顺式作用元件之间指的是反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。通常是非共价结合，的特异识别及结合。通常是非共价结合，被识别的被识别的DNA结合位点通常呈对称、或不结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。完全对称结构。绝大多数调节蛋白质结合绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过前，需通过蛋
16、白质蛋白质-蛋白质相互作用，形成蛋白质相互作用，形成二聚体二聚体(dimer)或或多聚体多聚体(polymer)。（三）转录调节蛋白通过与（三）转录调节蛋白通过与DNA或与蛋白或与蛋白质相互作用对转录起始进行调节质相互作用对转录起始进行调节（四）（四）RNA聚合酶与基因的启动序列聚合酶与基因的启动序列/启动子启动子相结合相结合1、原核启动序列、原核启动序列/真核启动子与真核启动子与RNA聚合酶活性聚合酶活性 RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录。聚合酶与其的亲和力，影响转录。2、调节蛋白与、调节蛋白与RNA聚合酶活性聚合酶活性一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达，然后通过下表达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋白质-蛋蛋白质相互作用影响白质相互作用影响RNA聚合酶活性。聚合酶活性。第三节第三节 原核基因表达调节原核基因表达调节Regulation of Gene Expression in Prokaryote 调节的主要环节在调节的主要环节在转录起始转录起始。一、原核基因转录调节特点一、原核基因转录调节特点（一一）因子决定因子决定RNA聚合
